Использование ископаемых и ядерных топлив. Энергосбережение при транспортировке энергоресурсов и энергоносителей

1.

Лекция 3.
Использование ископаемых и
ядерных топлив. Энергосбережение
при транспортировке
энергоресурсов и энергоносителей.
Тема №2 (6 часов)
1

2.

Преимущества и недостатки ТЭС, ТЭЦ.
Преимущества:
•В отличие от ГЭС, тепловые электростанции можно
размещать относительно свободно с учетом
используемого топлива
•Стоимость электроэнергии ниже чем у АЭС
•Меньше площади отчуждаемых земель
•Нет проблем с утилизацией по завершению срока
эксплуатации
Недостатки
•Экологически грязный источник энергии
2

3.

ПУ, ГТУ, ПГУ
На ТЭС и ТЭЦ могут использоваться следующие
установки для преобразования химической энергии
топлива в тепловую
паровые (ПУ),
газотурбинные (ГТУ),
парогазовые (ПГУ).
3

4.

Схема газо-турбинной установки
4

5.

При расширении газов в газовой турбине на ее
валу создается мощность.
Эта мощность частично расходуется на привод
воздушного компрессора (примерно 2/3), а ее
избыток — на привод ротора электрогенератора.
5

6.

6

7.

Воздушный компрессор ГТУ
Воздушный компрессор — это турбомашина, к
валу которой подводится мощность от газовой
турбины; эта мощность передается воздуху,
протекающему через проточную часть
компрессора, вследствие чего давление воздуха
повышается вплоть до давления в камере
сгорания.
7

8. Внешний вид ГТУ типа 13Е фирмы ABB

8

9. Ротор газовой турбины

9

10.

Преимущества ГТУ
Преимущества ГТУ – компактность и маневренность.
•Отсутствует паровой котел.
•Газовая турбина состоит из 3-5 ступеней (паровая
25-30).
•В ГТУ отсутствует конденсатор, градирня,
циркуляционный и питательный насосы,
подогреватели, деаэратор и др.
10

11.

Недостатки ГТУ
•КПД – 37-38% (ПТУ 42-43%)
•Высокая стоимость (в 3-4 раза дороже чем ПТУ)
•Высокие требования к топливу
11

12.

Парогазовые установки (ПГУ)
Парогазовые установки – это энергетические установки,
в которых теплота уходящих газов ГТУ используется для
выработки электроэнергии в паротурбинном цикле.
Уходящие газы ГТУ поступают в котел-утилизатор —
теплообменник противоточного типа, в котором за счет
тепла горячих газов генерируется пар высоких
параметров, направляемый в паровую турбину.
12

13. 1-пароперегреватель; 2-испаритель; 3-экономайзер; 4-барабан; 5-конденсатор; 6-насос; 7-опускные трубы; 8-трубы испарителя

Принципиальная схема ПГУ
1-пароперегреватель; 2-испаритель; 3-экономайзер; 4-барабан;
5-конденсатор; 6-насос; 7-опускные трубы; 8-трубы испарителя
13

14.

Принципиальное отличие ПГУ от обычной ТЭС
состоит только в том, что топливо в котлеутилизаторе не сжигается, а необходимая для
работы теплота берется от уходящих газов ГТУ.
14

15.

Атомная энергетика
Первая в мире промышленная атомная электростанция
мощностью 5 МВт была запущена 27 июня 1954 года в СССР, в
городе Обнинск.
Мировыми лидерами в производстве ядерной
электроэнергии являются:
США (836,63 млрд кВт·ч/год), работает 104 атомных реактора
(22 % от вырабатываемой электроэнергии)
Франция (439,73 млрд кВт·ч/год),
Япония (263,83 млрд кВт·ч/год),
Россия (177,39 млрд кВт·ч/год),
Корея (142,94 млрд кВт·ч/год)
Германия (140,53 млрд кВт·ч/год).
15

16. Доля энергии, вырабатываемая на АЭС

16

17.

Производство теплоты и электрической энергии
на АТЭЦ и АЭС
Производство
теплоты и электрической
энергии на теплоэлектроцентралях (АТЭЦ) и
атомных электрических станциях (АЭС) отличается
лишь способом генерирования теплоты, которая
высвобождается в ядерном реакторе.
17

18.

Главное отличие АЭС от ТЭС состоит в использовании
ядерного горючего вместо органического топлива.
Ядерное горючее получают из природного урана,
который добывают либо в шахтах (Франция, Нигер,
ЮАР), либо в открытых карьерах (Австралия, Намибия),
либо способом подземного выщелачивания (США,
Канада, Россия).
18

19.

Классификация АЭС в соответствии с типом
используемого реактора
•с реакторами на тепловых нейтронах,
•в том числе с:
водо-водяными
кипящими
тяжеловодными
газоохлаждаемыми
графито-водными
•с реакторами на быстрых нейтронах
19

20.

Ядерная реакция деления U235
При бомбардировке U235 тепловыми нейтронами
ядро атома захватывает и поглощает нейтроны, а
затем распадается на два осколка.
При каждом акте деления в среднем выделяются
два-три быстрых нейтрона и энергия 200 МэВ в виде
теплоты.
В типичной химической реакции ее выделяется
менее 10 эВ на атом (1эВ 1,6 10-19 Дж).
Тепло передается теплоносителю в зависимости от
конструкции ядерного реактора: воде, водяному
пару, газу или жидкому металлу.
20

21.

Цепная реакция деления ядер урана
ядро урана;
осколок;
нейтрон
21

22.

Цепная реакция деления ядер урана 235
k – коэффициент размножения нейтронов
k<1 – затухание ядерной реакции,
k=1 – управляемая ядерная реакция,
k>1 – ядерный взрыв
22

23.

Цепная реакция деления ядер урана 235
Атомные ядра замедлителя замедляют нейтроны,
предотвращая неуправляемую цепную реакцию
23

24.

Тепловыделяющий элемент
Процессы «горения» — расщепления ядер 235U с образованием
осколков деления, радиоактивных газов, распуханием таблеток и
т.д. происходят внутри трубки твэла.
Устройство твэла реактора РБМК: 1 — заглушка; 2 — таблетки диоксида урана;
3 — оболочка из циркония; 4 — пружина; 5 — втулка; 6 — наконечник.
24

25.

Тепловыделяющая сборка
Яд.реактор
РБМК-100
25

26. Ядерный реактор ВВЭР - 1000

26

27. Ядерный реактор ВВЭР – 1000 во время заводской сборки

27

28.

Ядерный реактор АЭС — это аналог парового котла в ТЭС.
АЭС принципиально не отличается от ТЭС: она также содержит
паровую турбину, конденсатор, систему регенерации, питательный
насос, конденсатоочистку. Так же, как и ТЭС, АЭС потребляет
громадное количество воды для охлаждения конденсаторов.
28

29. Утилизация отработанного ядерного горючего

Но в отличие от ТЭС, где топливо сжигается полностью
(по крайней мере, к этому стремятся), на АЭС добиться
100 % расщепления ядерного горючего невозможно.
После постепенного расщепления 235U и уменьшения
его концентрации до 1,26 %, когда мощность реактора
существенно уменьшается, ТВС извлекают из реактора,
некоторое время хранят в бассейне выдержки, а затем
направляют на радиохимический завод
для
переработки.
29

30. Защита и безопасность на АЭС

Система управления и защиты (СУЗ) служит для
управления реактором путем изменения площади
поглощающих регулирующих стержней для захвата
нейтронов.
Биологическая защита обеспечивает
персонала и окружающей среды.
безопасность
30

31.

В зависимости от теплоносителя, используемого в реакторе,
конструкции ядерных энергоустановок могут быть одно-, двух- или
трехконтурными.
2
2
5
1
1
3
а)
4
3
б)
4
4
Одноконтурные применяются в газовых и водяных реакторах,
двухконтурные - в водо-водяных реакторах, а трехконтурные с жидкометаллическим теплоносителем.
31

32.

Дополнительные контуры ядерных энергетических
установок требуются для предотвращения выноса
радионуклидов в последний контур с теплосиловым
оборудованием.
Они обеспечивают безопасную работу АЭС
32

33.

33

34.

Преимущества АЭС:
•Независимость от источников топлива (1 кг урана
эквивалентен 2500 т. каменного угля).
•Экологическая чистота (отсутствуют выбросы и не
потребляется кислород воздуха)
34

35.

Недостатки АЭС:
•Невозможно 100% расщепление ядерного горючего.
•Утилизация отходов.
•Тяжелые последствия аварий в реакторном
отделении.
•Ликвидация АЭС после выработки ресурса (20% от
стоимости строительства).
35

36.

Децентрализованное (автономное)
энергоснабжение
Обычный способ получения электричества и тепла заключается
в их раздельной генерации (электростанция и котельная). При
этом значительная часть энергии первичного топлива не
используется. Когенерации - совместное производства
электроэнергии и тепла.
Мини-ТЭЦ – электростанция с комбинированным
производством электроэнергии и тепла (когенерация),
расположенная в непосредственной близости от
конечного потребителя.
Мощность 20 кВт-5 МВт
36

37.

37

38.

Источники энергии малой мощности
(мини-ТЭЦ)
•Дизельный ДВС
•Газопоршневой ДВС (газопоршневая
установка)
•Газотурбинная установка
38

39.

Схема дизельного ДВС
39

40.

Энергия, выделившаяся при сгорании топлива,
в ДВС производит механическую работу и
теплоту.
В газовых двигателях может использоваться
природный газ, пропан, биогаз, пиролизный
газ и др.
40

41.

Схема ГПУ
41

42.

Внешний вид ГПУ
42

43.

Преимущества децентрализованного
энергоснабжения.
•снижение потерь тепла при транспортировке;
•возможность использования горючих отходов
промышленности и сельского хозяйства;
•высокая степень свободы регулирования
отпуска тепла.
43

44.

Принципы эффективного использования
первичной энергии
•использование высшей теплоты сгорания топлива;
•оптимизация коэффициента избытка воздуха;
•предварительный подогрев воздуха в промышленных
печах и котлах и питательной воды в котлах;
•утепление и герметизация ограждающих конструкций
печей и котлов;
•комбинированная выработка теплоты и электрической
энергии;
•использование автономных котельных, малых и миниТЭЦ и местных топлив.
44